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Brochage et câblage — ESP32-WROOM-32 + INMP441 + MAX98357A

Document de référence du câblage. Schéma visuel : wiring.svg (clic droit → « Open Preview » dans VSCodium, ou ouverture dans un navigateur).

Avant de câbler : ESP32 débranché de l'USB. On ne modifie jamais un câblage sous tension : une inversion VDD/GND détruit l'INMP441 en quelques secondes.

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1. Tableau de câblage complet

Carte de référence : DOIT ESP32 DEVKIT V1, 30 broches (la plus répandue en TP). Sur une carte 38 broches, les numéros de GPIO sont identiques, seule leur position physique change : fiez-vous toujours aux numéros sérigraphiés, jamais au rang.

1.1 Micro INMP441 (I2S0, réception)

INMP441	ESP32	Fil conseillé	Rôle
VDD	3V3	rouge	alimentation 3,3 V uniquement
GND	GND	noir	masse
SCK	GPIO 25	bleu	horloge bit (BCLK), générée par l'ESP32
WS	GPIO 26	vert	sélection de mot (word select / LRCL)
SD	GPIO 33	violet	donnée série, micro → ESP32
L/R	GND	noir	choix du canal : GND = gauche

L/R à GND est la référence de ce projet : gardez ce câblage.

Attention à un piège propre à l'ESP32 : l'INMP441 n'émet que pendant une moitié de trame et sort des zéros pendant l'autre. Or la correspondance entre la broche L/R et les constantes I2S_STD_SLOT_LEFT / ..._RIGHT du pilote n'est pas celle qu'on attend sur l'ESP32 d'origine. Écouter la mauvaise moitié donne un flux parfaitement nul, alors que le câblage est correct — le symptôme le plus déroutant de l'étape 1.

Le firmware tranche donc tout seul : au démarrage, la classe MicSelfTest réveille le micro une seule fois, lit les deux moitiés de trame en cadrage MSB et décide sur la structure des mots : la moitié utile est celle qui n'est ni nulle ni constante, et elle doit porter exactement 24 bits utiles. Si elle en porte 25, le micro suit le cadrage Philips et le firmware bascule. Le niveau au repos est affiché pour information, sans intervenir dans la décision.

1.2 Amplificateur MAX98357A (I2S1, émission) — étape 2

MAX98357A	ESP32	Fil	Rôle
Vin	VIN (5 V)	orange	alimentation 5 V (3,3 V possible mais 4× moins de puissance)
GND	GND	noir	masse
BCLK	GPIO 27	bleu	horloge bit
LRC	GPIO 14	vert	sélection de mot
DIN	GPIO 22	violet	donnée série, ESP32 → ampli
GAIN	non connecté	—	gain 9 dB par défaut (voir §4)
SD	non connecté	—	déjà tiré au + par 100 kΩ sur la carte → ampli actif
+ / −	haut-parleur	—	sortie pontée : jamais de masse sur −

1.3 Interface utilisateur

Élément	ESP32	Câblage
Bouton PTT	GPIO 4	une borne sur GPIO 4, l'autre sur GND — pull-up interne activé par le firmware
LED d'état	GPIO 2	GPIO 2 → résistance 330 Ω → anode LED ; cathode → GND

La carte DevKit V1 possède déjà une LED bleue sur GPIO 2 : la LED externe est optionnelle, l'étape 1 est validable sans elle.

1.4 Haut-parleur

Caractéristique	Valeur conseillée
Impédance	4 Ω (3 W) ou 8 Ω (2 W)
Diamètre	40 à 66 mm
Câblage	directement sur + et − de l'ampli

La sortie du MAX98357A est pontée (les deux fils sont actifs, en opposition de phase). Relier − à la masse court-circuite l'étage de sortie.

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2. Schéma ASCII

                           ESP32-WROOM-32 (DevKit V1, 30 broches)
                          +----------------------------------------+
   INMP441                |                                        |
  +---------+             |  EN                             GPIO23 |
  | VDD  o--|--rouge------|-------------------------------->  3V3  |  (broche 3V3)
  | GND  o--|--noir-------|--------------------------------->  GND |  (broche GND)
  | SD   o--|--violet---->| GPIO33                          GPIO22 |<--violet--+
  | SCK  o--|--bleu------>| GPIO25                           GPIO4 |<--+       |
  | WS   o--|--vert------>| GPIO26                           GPIO2 |---|--+    |
  | L/R  o--|--noir--> GND| GPIO27 -->--bleu----------+         .. |   |  |    |
  +---------+             | GPIO14 -->--vert--------+ |         .. |   |  |    |
   3,3 V SEULEMENT        |                         | |     VIN(5V)|   |  |    |
                          +-------------------------|-|------------+   |  |    |
                                                    | |                |  |    |
                                      +-------------+ |                |  |    |
                                      |   +-----------+                |  |    |
                                      v   v                            |  |    |
                            MAX98357A |   |                            |  |    |
                           +----------|---|-----+                      |  |    |
                           | LRC  o<--+   |     |                      |  |    |
                           | BCLK o<------+     |    HP 4 ohms / 3 W   |  |    |
                           | DIN  o<------------|----------------------|--|----+
                           | GAIN o  (non conn. = 9 dB)                |  |
                           | SD   o  (non conn. = actif)  + o---+      |  |
                           | GND  o---noir--> GND         - o---|--+   |  |
                           | Vin  o---orange--> VIN (5 V)       |  |   |  |
                           +------------------------------+     |  |   |  |
                                                                v  v   |  |
                                                            +---------+ |  |
                                                            |   ( ) HP| |  |
                                                            +---------+ |  |
                                                                        |  |
                   bouton PTT : GPIO4 ----[ /  ]---- GND  <-------------+  |
                   LED etat   : GPIO2 ----[330]---->|---- GND  <-----------+

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3. Pourquoi ce choix de broches

Contrainte	Conséquence
Broches de strapping GPIO 0, 2, 5, 12, 15	leur niveau au reset choisit le mode de démarrage → aucun signal audio dessus. GPIO 2 ne porte qu'une LED, en sortie seule.
GPIO 34-39 sont en entrée seule	inutilisables pour SCK/WS (sorties d'horloge).
GPIO 6-11	reliées à la mémoire flash interne → jamais utilisables.
Deux périphériques I2S séparés	I2S0 pour le micro, I2S1 pour l'ampli. On ne partage pas les horloges : le micro tourne en 32 bits/slot et l'ampli en 16 bits, et surtout l'entrée et la sortie doivent pouvoir démarrer et s'arrêter indépendamment. Cinq fils au lieu de trois : c'est le prix de la simplicité logicielle.
GPIO 1 / 3 (TX0/RX0)	utilisées par l'USB-série → interdites.

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4. Réglages matériels du MAX98357A

Broche GAIN

Câblage de GAIN	Gain
direct à GND	15 dB
à GND via 100 kΩ	12 dB
non connectée	9 dB ← notre choix
à Vin via 100 kΩ	6 dB
direct à Vin	3 dB

Broche SD (shutdown + choix de canal)

La tension sur SD sélectionne le mode :

Tension sur SD	Mode
< 0,16 V	ampli éteint
0,16 – 0,77 V	canal droit seul
0,77 – 1,4 V	canal gauche seul
> 1,4 V	moyenne (gauche + droite) / 2 ← par défaut

Les cartes de type Adafruit tirent SD au + par 100 kΩ : laissée libre, la broche est donc au-dessus de 1,4 V et l'ampli fonctionne en mode moyenne.

Le firmware émet en stéréo, le même échantillon sur les deux voies (AudioOutput). La moyenne (gauche + droite) / 2 redonne donc exactement le signal : niveau correct, et une éventuelle inversion gauche/droite est sans effet. On n'a pas misé sur le comportement implicite d'un mode « mono » : c'est la leçon de l'étape 1, où une moitié de trame muette nous a longtemps égarés.

Pour couper le son par logiciel, on reliera plus tard SD à un GPIO (niveau bas = silence). Inutile avant l'étape 15.

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5. Bilan de consommation

Consommateur	Courant moyen	Crête
ESP32 (Wi-Fi actif)	~120 mA	~500 mA pendant l'émission radio
INMP441	1,4 mA	—
MAX98357A au repos	2,4 mA	—
MAX98357A à 3 W sur 4 Ω	~670 mA	~1,2 A sur les transitoires
Total au volume maximal	~0,8 A	> 1,5 A

Conséquences pratiques :

1. Une alimentation USB 5 V / 1 A ne suffit pas au volume maximal : l'ESP32 redémarre (brown-out). Prévoir 5 V / 2 A.
2. Ajouter un condensateur électrolytique 470 µF / 16 V entre Vin et GND de l'ampli, au plus près de la carte : il fournit les crêtes que les fils de breadboard ne peuvent pas suivre. Types et valeurs limites : §6.
3. Alternative propre : alimenter l'ampli par une source 5 V externe, en reliant sa masse à celle de l'ESP32 (masse commune obligatoire).

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6. Condensateurs : types et valeurs

6.1 Les trois condensateurs du montage

Rep.	Où	Rôle	Type exact
C1	Vin / GND du MAX98357A	réservoir d'énergie pour les crêtes du haut-parleur	électrolytique aluminium radial, faible ESR, 105 °C
C2	Vin / GND du MAX98357A, collé à C1	découplage haute fréquence (la classe D découpe à ~300 kHz)	céramique multicouche X7R ou X5R
C3	GPIO 4 / GND (optionnel)	anti-rebond matériel du bouton	céramique multicouche X7R

6.2 Valeurs minimale, typique et maximale

Rep.	Mini	Typique	Maxi	Tension de service
C1	100 µF 1 × 10⁸ pF	470 µF 4,7 × 10⁸ pF	1 000 µF 1 × 10⁹ pF	≥ 10 V, 16 V conseillé
C2	10 nF 10 000 pF (code 103)	100 nF 100 000 pF (code 104)	1 µF 1 000 000 pF (code 105)	≥ 25 V
C3	10 nF 10 000 pF (code 103)	100 nF 100 000 pF (code 104)	220 nF 220 000 pF (code 224)	≥ 16 V

Les bornes ne sont pas arbitraires :

• C1 mini 100 µF — la chute de tension pendant une crête vaut ΔV = I × Δt / C. Pour 1 A pendant 100 µs : 470 µF → 0,21 V (sans effet) ; 100 µF → 1,0 V (limite, l'ESP32 décroche vers 4,0 V en entrée de son régulateur) ; 47 µF → 2 V, redémarrage garanti.
• C1 maxi 1 000 µF — au branchement, le condensateur vide est un court-circuit : I = C × dV/dt. Charger 1 000 µF à 5 V en 1 ms demande 5 A, ce qui déclenche la protection du port USB ou du hub. Au-delà, il faut un circuit de pré-charge : hors sujet ici.
• C2 — au-dessus de ~1 MHz, un électrolytique se comporte comme une self : il ne découple plus rien. Sous 10 nF, la céramique ne stocke plus assez pour les fronts de commutation. Au-dessus de 1 µF, aucun gain et le boîtier devient inutilement gros.
• C3 — la constante de temps vaut τ = R_pull-up × C, avec le pull-up interne de l'ESP32 à ≈ 45 kΩ : 100 nF → τ = 4,5 ms, soit ~6 ms pour franchir le seuil logique. C'est bien en dessous des BUTTON_DEBOUNCE_MS = 30 ms du firmware. Avec 220 nF on atteint ~13 ms : encore acceptable. Au-delà, le filtre matériel et le filtre logiciel se cumulent et le bouton devient mou.

C3 est facultatif : l'anti-rebond est déjà fait en logiciel dans PushButton.cpp. Ne l'ajoutez que si le bouton est au bout d'un fil long et capte du bruit. Dans ce cas, insérez aussi 100 Ω en série entre le GPIO et le bouton : cette résistance limite le courant de décharge du condensateur dans le contact à chaque appui, ce qui préserve le bouton.

6.3 Lire le marquage — il est justement en picofarads

Les céramiques portent un code à trois chiffres en pF : deux chiffres significatifs, puis le nombre de zéros à ajouter.

Code imprimé	picofarads	nanofarads	microfarads
102	1 000 pF	1 nF	0,001 µF
103	10 000 pF	10 nF	0,01 µF
104	100 000 pF	100 nF	0,1 µF
224	220 000 pF	220 nF	0,22 µF
105	1 000 000 pF	1 000 nF	1 µF
106	10 000 000 pF	10 000 nF	10 µF

Une lettre suivante donne la tolérance : J = ±5 %, K = ±10 %, M = ±20 %. Sur un découplage, la tolérance n'a aucune importance : K ou M conviennent.

Les électrolytiques, eux, portent la valeur en clair (470µF 16V) et une bande verticale marquant la borne négative, en face de la patte la plus courte.

6.4 Pièges sur les condensateurs

1. Polarité — un électrolytique monté à l'envers chauffe, gonfle puis éclate en quelques secondes. La bande imprimée est le −, la patte longue est le +. Les céramiques, elles, ne sont pas polarisées.
2. Diélectrique — refusez les Y5V et Z5U : ils perdent jusqu'à 80 % de leur capacité avec la température et la tension appliquée. X7R (ou X5R) pour le découplage, C0G/NP0 seulement pour les petites valeurs.
3. Effet de la tension continue — une céramique 10 µF / 6,3 V en boîtier 0603 ne fait plus que 4 µF sous 5 V. C'est pourquoi C2 est spécifiée en 25 V minimum.
4. ESR — un 470 µF « general purpose » peut présenter 1 Ω de résistance série : inutile pour des crêtes de 1 A. Cherchez la mention low ESR ou 105 °C (typiquement < 0,3 Ω).
5. Distance — C1 et C2 à moins de 3 cm des broches Vin / GND de l'ampli. Au-delà, l'inductance des fils annule leur effet.
6. C1 et C2 ne se remplacent pas : le gros stocke l'énergie, le petit évacue le haut du spectre. On met toujours les deux, en parallèle.

Les modules INMP441 et MAX98357A du commerce embarquent déjà leur découplage local (100 nF, et 10 µF côté ampli). C1 et C2 compensent les fils de la platine d'essai, pas un manque des modules.

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7. Précautions de câblage

1. Longueur des fils I2S : 15 cm maximum. Au-delà, l'horloge se déforme et le son devient bruité.
2. Séparer les fils du micro de ceux du haut-parleur : le courant du HP (jusqu'à 1 A commuté à 300 kHz) rayonne dans les fils du micro.
3. Masse commune entre tous les modules, sans exception.
4. Ne pas alimenter l'INMP441 en 5 V : il est prévu pour 1,8 à 3,3 V.
5. Le micro est sensible aux vibrations : le fixer, ne pas le laisser pendre contre le boîtier du haut-parleur (effet Larsen mécanique).
6. Sur breadboard, vérifier que les deux moitiés des rails d'alimentation sont bien reliées (beaucoup de breadboards coupent les rails au milieu).

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8. Vérifications au multimètre, avant le premier démarrage

ESP32 débranché, en mode continuité puis en mode tension :

#	Mesure	Attendu
1	continuité INMP441 VDD ↔ ESP32 3V3	passant
2	continuité INMP441 GND ↔ ESP32 GND	passant
3	continuité INMP441 L/R ↔ GND	passant
4	continuité INMP441 VDD ↔ GND	coupé (sinon court-circuit)
5	continuité MAX98357A Vin ↔ ESP32 VIN	passant
6	continuité MAX98357A − ↔ GND	coupé
7	continuité GPIO 4 ↔ GND, bouton relâché	coupé
8	continuité GPIO 4 ↔ GND, bouton appuyé	passant

Continuité de la ligne de données

Le défaut le plus tenace de l'étape 1 est une ligne SD qui n'arrive pas. Testez en continuité, carte hors tension, et sur la pastille du module, jamais au bout du fil : une soudure sèche laisse passer le fil mais pas le signal.

#	Mesure	Attendu
8b	GPIO 33 ↔ pastille SD du module	passant
8c	pastille L/R du module ↔ GND	passant
8d	GPIO 33 ↔ GND	coupé

Puis USB branché :

#	Mesure	Attendu
9	tension 3V3 / GND	3,2 à 3,4 V
10	tension VIN / GND	4,6 à 5,1 V
11	tension GPIO 4 / GND, bouton relâché	≈ 3,3 V (pull-up interne)
12	tension GPIO 4 / GND, bouton appuyé	≈ 0 V

Le test 11 exige que le firmware soit déjà téléversé : le pull-up est activé par pinMode(INPUT_PULLUP).

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9. Diagnostic rapide

Symptôme	Cause la plus fréquente	Vérification
Auto-test : les deux moitiés « silence numerique »	le micro n'est pas cadencé ou n'émet rien	tensions sur les pastilles du module : VDD 3,3 V, SCK et WS ≈ 1,6 V
Auto-test : « un bit de retard (Philips) »	le micro suit le cadrage Philips	aucune : le firmware bascule et revérifie
Auto-test : « DECALE : bit de signe perdu » (23 bits)	cadrage faux, le premier bit déborde dans le mot précédent	aucune en MSB ; si ça persiste, envoyer l'analyse bit à bit
Auto-test : « queue du mot non nulle »	bits parasites après les 24 bits utiles	vérifier MIC_SD_PULLDOWN = true
Auto-test : « les DEUX moities portent des donnees »	L/R flottant, ou deux micros sur la ligne	continuité L/R ↔ GND sur la pastille
Auto-test : « bruit de fond eleve » au repos	pièce bruyante, ou micro pas encore stabilisé	sans effet sur le cadrage ; juger sur l'enregistrement
Ligne SD : « FLOTTE », horloges correctes	rien ne pilote GPIO 33	continuité SD ↔ GPIO 33 sur la pastille
Auto-test série : amplitude mesurable mais crête faible	simple question de gain	appliquer la valeur de MIC_GAIN conseillée par l'auto-test
Crête à 0 %, silence total	L/R non relié à GND	test 3
Crête à 0 %, silence total	SD du micro sur la mauvaise broche	test de continuité vers GPIO 33
Bruit blanc continu	micro alimenté en 5 V	test 9 sur la broche VDD du micro
Son très faible même en criant	SCK et WS inversés	inverser GPIO 25 et GPIO 26
Signal haché, craquements réguliers	fils I2S trop longs	raccourcir à 10 cm
L'ESP32 redémarre quand le son sort	alimentation insuffisante	§5, points 1 et 2
Téléversement impossible	LED sur GPIO 2 qui perturbe le boot	retirer la LED externe, utiliser celle de la carte
Le HP souffle ou vibre en permanence dès la mise sous tension	broches I2S de sortie flottantes : l'ampli amplifie du bruit	firmware ≥ étape 1 : silenceAmplifier() les force à 0. Si le bruit persiste pendant le boot, relier SD de l'ampli à GND, ou ne pas l'alimenter avant l'étape 2
Sifflement aigu permanent	masse commune absente entre ampli et ESP32	§7, point 3

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10. Récapitulatif des GPIO réservés

GPIO	Usage	Étape
2	LED d'état	1
4	bouton PTT	1
14	MAX98357A LRC	2
22	MAX98357A DIN	2
25	INMP441 SCK	1
26	INMP441 WS	1
27	MAX98357A BCLK	2
33	INMP441 SD	1
21	LED de démonstration domotique (« la lumière » de la pièce)	11

LED de démonstration (étape 11, facultative)

GPIO21 ──[ 330 Ω ]──►|── GND        LED rouge ou verte : patte longue (anode) côté résistance

Courant : (3,3 V − 2,0 V) / 330 Ω ≈ 4 mA, bien sous les 12 mA conseillés par broche. GPIO 21 est libre et sans rôle au démarrage (pas une broche de strapping). Elle figure « la lumière » de la pièce de la carte ; volets et porte sont simulés (état affiché sur la liaison série). Un module relais se brancherait au même endroit. Cette LED n'est pas dessinée sur wiring.svg.

Les valeurs sont définies une seule fois, dans firmware/include/config.h. Toute modification de câblage se fait dans ce fichier, jamais dans le code des classes.